Радиофизики нашли способ «сфотографировать» чёрную дыру

    Первым делом изучат объект Стрелец А* (4,31 млн солнечных масс, предположительно, чёрная дыра) в центре нашей галактики




    Исследователи из лаборатории информатики и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и обсерватории Haystack разработали новый алгоритм, который поможет впервые в истории получить настоящее изображение чёрной дыры. Точнее, той области пространства-времени, в центре которой находится сама чёрная дыра, невидимая по определению.

    Конечно, в интернете полно картинок чёрных дыр, и в научно-фантастических фильмах и сериалах мы видели чёрные дыры сотни раз. Но всё это плод фантазии художников, дизайнеров и самих учёных, которые только предполагают, как может выглядеть окружение горизонта событий.

    Если расчёты американских радиофизиков верны, и если их усилия поддержат коллеги из других стран, то скоро мы узнаем правду.

    «Чёрная дыра находится очень, очень далеко, и это очень компактный объект, — объясняет Кэти Боуман (Katie Bouman), ведущий автор научной работы и аспирантка Массачусетского технологического института. — [Сфотографировать чёрную дыру в центре галактики Млечный Путь] — это как заснять грейпфрут на поверхности Луны, но только с помощью радиотелескопа».

    Чёрная дыра в центре нашей галактики находится на расстоянии 26 000 световых лет, она окружена радиоизлучающим газовым облаком диаметром около 1,8 парсек. При этом диаметр самой чёрной дыры оценивается всего в 44 млн км, что сравнимо с радиусом орбиты Меркурия, самой близкой к Солнцу планеты Солнечной системы. Чтобы детектировать настолько далёкий и крошечный объект, требуется телескоп диаметром 10 000 километров. Построить его весьма затруднительно, ведь у Земли диаметр всего 12 742 км.

    Поскольку строительство телескопа размером с Землю — не вариант, то пришлось искать другое решение. Учёные разработали алгоритм, который объединяет в единое целое данные с радиотелескопов по всей планете, чтобы отфильтровать шум и построить синтезированное изображение. Проект получил название Event Horizon Telescope: Телескоп горизонта событий.

    «У радиоволн масса преимуществ, — говорит Боуман. — Как радиоизлучение проникает сквозь стены, так оно проходит сквозь облака галактической пыли. Мы бы никогда не смогли рассмотреть центр нашей галактики в видимом диапазоне, потому что между нами находится слишком много всего».


    Расположение Солнечной системы (в центре жёлтой точки) относительно центра галактики, где расположена сверхмассивная чёрная дыра

    Впрочем, из преимуществ радиотелескопов вытекают их недостатки. Из-за необходимости регистрировать очень длинные волны размер антенны должен быть гигантским. Сейчас у самого большого радиотелескопа с одной антенной на Земле диаметр антенны 304 метра. Поэтому для практических целей астрофизики используют радиоинферометры — инструмент для радиоастрономических наблюдений с высоким угловым разрешением, который состоит минимум из двух антенн, разнесённых на расстоянии и связанных между собой кабельной линией связи.

    Принцип работы
    Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением . Такая процедура редукции называется апертурным синтезом.

    Фактически, Телескоп горизонта событий и представляет собой такой гигантский радиоинтерферометр.

    Боуман с коллегами уже заручились поддержкой шести обсерваторий в разных уголках планеты, которые согласились участвовать в проекте Event Horizon Telescope. В ближайшие недели ожидается подтверждение участия от других обсерваторий.

    По плану, сначала радиоинтерферометр испытают на объекте Стрелец А — комплексном радиоисточнике, расположенном в центре нашей галактики. В его состав входят останки сверхновой (Стрелец А Восток), комплекс из трёх газопылевых облаков (Стрелец А Запад) и самое интересное — Стрелец А*, предположительно сверхмассивная чёрная дыра. Она излучает в инфракрасном, рентгеновском и других диапазонах.

    Данные от этого объекта будут отфильтрованы от шума и использованы для генерации синтетического изображения чёрной дыры и окружающего пространства.

    Разработанный радиофизиками алгоритм для синтеза данных радиотелескопов в одно изображение называется CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors). После тренировки на Стрельце А* его предполагается использовать для наблюдения других больших и маленьких чёрных дыр в разных регионах нашей галактики, а также за её пределами.

    Сегодня чёрные дыры регистрируются обсерваториями с помощью компьютерного сканирования, которое записывает яркие вспышки света, например, при поглощении звезды, из которой чёрная дыра «высасывает» плазму.



    Полученные координаты будут использовать для направления радиоинтерферометра Event Horizon Telescope и обучения алгоритма CHIRP методами, которые сейчас используются в алгоритмах машинного зрения. Со временем программа сумеет самостоятельно обнаруживать такие паттерны.

    Научная работа группы исследователей из Массачусетского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и обсерватории Haystack с подробностями разработанного алгоритма будет представлена 27 июня 2016 года на Конференции по компьютерному зрению и распознаванию образов (Conference on Computer Vision and Pattern Recognition) в Лас-Вегасе. После этого другие учёные получат возможность проверить расчёты американских коллег и, если всё правильно, то первое изображение чёрной дыры мы получим примерно через год.



    Ждём с нетерпением.
    Метки:
    Поделиться публикацией
    Комментарии 34
    • +2
      «Радиоастрон» останется не у дел?
      • +3
        Но это же очередная программа апертурного синтеза. Или всё-таки есть что-то необычное? Антенны радиотелескопов, кстати, большие в основном не для повышения разрешения, а для повышения чувствительности — разрешение уже давно интерферометрией увеличивают. Если именно высокое разрешение нужно, то непонятно, почему не подключат «Радиоастрон», с ним базу можно увеличить до 350000 км — недостаточно интересный проект, чтобы время выделили?
        • +4
          Потому что все задействованные в проекте инструменты работают на миллиметровых волнах, а у «Радиоастрона» самая короткая волна — 1.2 см. Тут был бы кстати «Миллиметрон», но его теперь планируют запустить только после 25-го года.
          • +2
            Вы правы, самая длинная волна для Event Horizon Telescope — 1,3 мм (минимальная — 0,66 мм).
            www.eventhorizontelescope.org
            • 0
              А, слона-то я и не приметил :)
          • –6
            «У радиоволн масса преимуществ, — говорит Боуман. — Как радиоизлучение проникает сквозь стены, так оно проходит сквозь облака галактической пыли. Мы бы никогда не смогли рассмотреть центр нашей галактики в видимом диапазоне, потому что между нами находится слишком много всего».
            А разве основная причина того, что мы не можем разглядеть центр нашей галактики в видимом спектре, не в эффекте Доплера?
            • +1
              Тут недавно проскакивали комменты. Знаете с какой скоростью скоростью должен двигаться автомобиль, чтобы красный сигнал светофора стал зеленым из-за эффекта Доплера?
              • 0
                1/3c примерно, если не ошибаюсь.
              • +2
                Если бы причина была в нём, то не могло бы получиться так, что мы не видим центр своей галактики, но видим центры миллиардов других, на порядок более удалённых.
              • 0
                Автомобили и космос это немного разные вещи. Например дорога перед автомобилем не расширяется, по мере того как он приближается к светофору.
                Я спросил потому как знаю, что свет от звёзд имеет «redshift». И только небольшая часть наблюдаемой вселенной доступна нам в видимом спектре из-за скорости расширения вселенной. Чего я не учёл, так это того, что в локальных объектам (в нашей галактике, например), силы гравитации компенсируют расширение пространства и наш Млечный путь не расширяется. Так что отвечая на собственный вопрос — да, мы не видим центра нашей галактики из-за того, что между нами находится много всего
                • +4
                  Область, недоступная для наблюдения из-за расширения — 46 миллиардов световых лет от нас. Расстояние до центральной чёрной дыры — 26 тысяч св. лет. Почувствуйте разницу, как говорится.
                • –3
                  Я думаю что черная дыра излучает свет и информацию, просто она нас не достигает в нашем времени
                  • +1
                    Такой странный вопрос возник. А если черная дыра не отдаст «пинг» обратно что как по мне очевидно, то астрономы подумают что там нечего нету и радиолокация прошла дальше пока не обнаружила обьект?
                    И ещё один. Расстояния до черной «дыры» как написано в статье 26к с.л. Это означает что результат мы получим не сразу? То есть минимум через 26к лет?
                    Прошу прощения, не селен в астрономии, просто интересно.
                    • +5
                      Мы увидим эту дыру из ее прошлого. Какой она была 26к лет назад.
                      • +1
                        а если никакой вселенной уже нет? мы наблюдаем то, что уже разрушилось и ждем своего череда?)
                        • +2
                          Ресторан на краю вселенной?
                          • +1
                            да, и ваша жизнь больше никогде не будет прежней :)

                            вы можете просто посмотреть ночью на небо, и многие из тех звезд, что вы увидите уже давно перестали существовать, но для нас они будут светить еще многие годы, века, тысячелетия…
                      • +4
                        Радиотелескоп — не локатор, а просто приёмник! Он никак не «пингует», а лишь «слушает» небо в определённых диапазонах.
                        Так что, ждать ничего не надо, но… да! Мы никогда не узнаем, что там сейчас, мы увидим картинку того, что там происходило 26 тысяч лет назад — такая штука со всеми далёкими объектами!
                        • +1

                          Во первых за 26 тыс. лет мало что может измениться у черной дыры в центе млечного пути. Во вторых как раз такая "картинка" позволяет видеть галактики от ранней вселенной до нашего времени. Т.е. видеть вселенную в разное время.

                        • +1
                          Вы телескоп с радаром попутали.
                          • +1
                            «Туда» ничего не посылается.
                            Мы просто тут на месте увидим то, что «долетело оттуда» к моменту наблюдения
                          • 0
                            Можно ли синтезировать апертуру не с двумя антеннами, а с одной, которая движется в пространстве относительно объекта съемки?
                            • +1
                              Короткий ответ — нет. Так как два сигнала принятых одной антенной были испущены в разное время объектом и скорее всего (если объект это не лазер или мазер) не когерентны.
                              • 0
                                На самом деле одной (вроде) можно, если использовать 2 отражателя которые фокусируют сигналы на одной антенне. Хотя не уверен в качестве сигнала.
                                Можно и совсем одной, если она умеет перемещаться быстрее скорости света :)
                                Кстати возник тут вопрос, а сигналы искаженные гравитационной линзой можно использовать для этого?
                            • 0
                              Интересно, радиофизики — это кто такие? РФ-СЛФ?
                            • 0
                              Бесит, когда чёрную дыру рисуют чёрным кругом.
                              Её в разрезе рисуют, что ли?

                              Она же всегда в сплошном газопылевом облаке.
                              • 0
                                Вовсе не обязательно. Если она втянула все, что могла, вокруг себя и просто шаро''бится по окресностям, вокруг нее будет не очень-то много вещества.
                                • 0
                                  Обращаю ваше внимание на то, что планеты вокруг Солнца движутся практически в одной плоскости. Наша галактика имеет уплощенную форму. Где-то здесь же, на гиктаймс, проскакивало объяснение этому, но пруф кинуть не могу.
                                  • 0
                                    Это видимо связано с тем, что тело может крутиться по инерции только вокруг одной оси, а система тел изначально может двигаться как угодно, но со временем из-за столкновений, а может достаточно и взаимного гравитационного взаимодействия, придет к «общему знаменателю» и все тела выстроятся приблизительно в одной плоскости.
                                    • 0
                                      Вообще говоря, это непосредственно следует из решения задач на движение точки в центрально-симметричном поле(ну теормех).
                                      А вот найти объяснение на физ. законах более сложная задача, тут математика выигрывает.
                                      • +1
                                        > тело может крутиться по инерции только вокруг одной оси

                                        Строго говоря, нет: момент импульса (который в изолированной системе сохраняется) и вектор угловой скорости не обязаны быть коллинеарными, они связаны через тензор инерции. Так что ось вращения в общем случае меняется. Наглядная иллюстрация — эффект Джанибекова.

                                        Но вообще да, в направлении момента импульса системе тел в космосе ничто особо не мешает сплющиваться, поэтому они в конечном счёте выстраиваются в перпендикулярной ему плоскости.

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.